מהטבע לאתר הבנייה: ביומימטיקה כבסיס לחומרים ותכנון עתידיים

עקרונות אבולוציוניים מהחי והצומח מניעים עכשיו פיתוח פתרונות חדשניים וחומרים חכמים

ביומימטיקה היא תחום מחקר מדעי המבקש לפתור בעיות אנושיות באמצעות למידת דרכי הפעולה של הטבע וחיקוי מושכל שלהן. מקור המילה הוא שילוב של bios (חיים) ו-mimesis (חיקוי), והיא מבטאת את הרעיון שמערכות, יצורים ותהליכים טבעיים יכולים ללמד אותנו כיצד לפתור בעיות מורכבות באופן יעיל וחסכוני. במשך מיליוני שנים, האבולוציה יצרה פתרונות לחוזק, גמישות, עמידות, עיבוד חומרים והתאמה לתנאי סביבה, שרק בעשורים האחרונים אנחנו מתחילים להבין ולתרגם לחדשנות.

בתחום טכנולוגיות הבנייה, ביומימטיקה מאפשרת חשיבה מחודשת על האופן שבו אנו מייצרים חומרים, מתכננים מבנים ומנהלים את הסביבה שבה הם מתקיימים. במקום להסתמך רק על תהליכים תעשייתיים כבדים כמו חום גבוה, כרייה מסיבית, או ייצור חומרים אחידים ופשוטים מבחינה גיאומטרית, ביומימטיקה מתמקדת בחיקוי של עקרונות טבעיים כמו צורות שמעניקות חוזק, תהליכי יצירת מינרלים טבעיים, טקסטורות שמפחיתות שחיקה, ופתרונות שמאפשרים למבנה להשתלב בסביבה או אפילו לשקם אותה. המשמעות היא מעבר לחומרים ולתכנון שמושפעים מהאופן שבו הטבע עובד: גמישים יותר, חסכוניים יותר, ומתאימים את עצמם טוב יותר לסביבה. במילים אחרות: הטבע מספק עקרונות פעולה, וחדשנות הנדסית מתרגמת אותם לטכנולוגיות בנייה חכמות יותר.

כמה מהסטארטאפים הבולטים בתחום החומרים והבנייה בישראל ובעולם כבר שכפלו עקרונות טבעיים והפכו אותם לפתרונות בנייה מתקדמים. לפניכם סקירה קצרה של טכנולוגיות שהושפעו מצדפות, מינרלים, תצורות קריסטליות, ואף מתנועה אבולוציונית של בעלי חיים, ואיך הן מתורגמות למוצרים הנדסיים, לתהליכי ייצור חדשניים ולמודלי תכנון.

בטון שמחקה צדפות ויוצר שיקום ימי

הים הוא אחד האתגרים ההנדסיים הגדולים ביותר. הוא מייצר שחיקה, לחץ, התחממות, זיהום ותנאים משתנים. יצורים כמו צדפות, אלמוגים וחסרי חוליות פיתחו במשך מיליוני שנים יכולת לעמוד בכוחות הללו,  ואף לבנות סביבם מערכות אקולוגיות יציבות. חברת ECOncrete לוקחת את אותם עקרונות ותכונות ומתרגמת אותם לשפה הנדסית.

החברה פיתחה בטון ימי שמבוסס על מרקמים וגאומטריות דמויות־טבע, שמגדילות את שטח הפנים ומאפשרות התיישבות של אורגניזמים ימיים. התוצאה אינה רק בטון עמיד יותר, אלא גם תועלת סביבתית: מבנים ימיים שהופכים מבטון "מת" לבסיס למערכת אקולוגית משקמת. במקום להילחם בטבע, החומר פועל איתו. זו דוגמה מובהקת לבנייה שמבינה עיקרון אבולוציוני בסיסי: הדדיות (mutualism), כלומר יצירת חומר שמתאים את עצמו לסביבה, והסביבה בתורה תורמת לחיזוקו לאורך זמן. במערכת כזו, המבנה והסביבה אינם נפרדים, אלא תומכים זה בזה ומייצרים חוזק ותפקוד משותף.

ביומינרליזציה שמדמה את האופן שבו הטבע בונה עצמות, שיניים ומינרלים

בטבע, מינרלים נוצרים בתהליך עדין ומבוקר, ללא צורך בחום גבוה או התכה. תהליכי ביומינרליזציה בטבע, כמו יצירת עצמות, שיני דגים או שלדי אלמוגים, מייצרים חומרים חזקים במיוחד תוך השקעת אנרגיה נמוכה. חברת Starstone מאמצת עיקרון זה ומיישמת אותו ביצירת חומרים מתקדמים באמצעות תהליכי גדילה מינרלית.

במקום להתיך חומרים בחום גבוה ולייצר תהליכים מזהמים ועתירי אנרגיה, הטכנולוגיה מאפשרת "לגדל" חומר בצורה מבוקרת, שכבה אחר שכבה, כמו שהטבע עושה. התוצאה היא חומרים בעלי חוזק גבוה, מבנה פנימי אחיד ורמת קיימות שאינה מושגת בייצור מסורתי. זהו שינוי תפיסתי עמוק: מעבר מייצור תעשייתי אל ייצור ביולוגי־הנדסי.

חוזק וצורה בהשראת קריסטלים ומינרלים טבעיים

אחד העקרונות החשובים בטבע הוא שצורה יוצרת חוזק. מבנה של קונכייה, תצורת כוורת דבורים או מערך גבישי של מינרלים - כולם דוגמאות ליכולת לייצר קשיחות מתוך גאומטריה ולא מתוך כמות חומר. המוצרים של חברתCriaterra  מבוססים בדיוק על העיקרון הזה.

החברה מייצרת חומרי בנייה מבוססי מינרלים טבעיים, בטמפרטורה נמוכה, תוך שימוש בגיאומטריות שמחקות את תצורות הגדילה של קריסטלים. בזכות הגיאומטריה החכמה, החומרים הופכים לשווי ערך לחומרי בנייה מסורתיים – ולעיתים אף חזקים מהם, אך עם טביעת פחמן נמוכה משמעותית. זהו מהלך שמחבר בין עיצוב טבעי ליעילות תעשייתית וקיימות.

בהשראת בעלי חיים: רובוטים באתר הבנייה

הביומימטיקה לא נעצרת בחומרים; הרובוט SPOT הוא דוגמה בולטת לאופן שבו ביומימטיקה משפיעה גם על הדרך שבה מערכות נעות ומתפקדות בסביבה מורכבת. המבנה דמוי היונק, ארבע הרגליים הגמישות, והיכולת שלו לשמור על יציבות ולנוע באופן אינטואיטיבי בשטח משתנה, כולם מבוססים על עקרונות אבולוציוניים של יצורים המסוגלים להתמודד עם סביבות לא צפויות.

התנועה הביומימטית הזו הופכת את SPOT לפלטפורמה שניתן לבסס עליה משימות שונות, ולכן מחקרים עדכניים, כמו ניסוי מ־2024 לשילובו בניהול מלאי חומרים באתר באמצעות RFID, מדגימים איך תכנון בהשראת הטבע מאפשר לרובוט להגיב למציאות משתנה בצורה שמכונות מסורתיות מתקשות לבצע. במקום תנועה מכנית וקשיחה, מתקבלת מערכת שמפרשת את הסביבה, מסתגלת אליה, ומסוגלת להוות בסיס לתהליכי בקרה, תיעוד ותכנון דינמיים יותר.

האבולוציה של תעשיית הבנייה

ניתן לשער כי בעשורים הקרובים נראה יותר ויותר שימוש בעקרונות טבעיים ואבולוציוניים בחדשנות בבנייה: מבנים שמותאמים לאקלים המקומי, חומרים שמתחזקים ולא מתפרקים, תצורות שמבוססות על צמיחה אורגנית, ורובוטיקה שמתמודדת עם סביבה מורכבת כמו יצור חי. זהו מעבר מתפיסה של "שליטה בסביבה" לתפיסה של "עבודה עם הסביבה".

הערך הגדול של ביומימטיקה הוא בכך שהיא מחזירה אותנו לדיוק ולפשטות של הטבע: להפחתת בזבוז, להגברת יעילות, לייצור נקי ולשיקום מערכות סביבתיות. היא מאפשרת לנו לבנות לא רק חזק יותר, אלא גם חכם יותר, והכי חשוב: בצורה שמכבדת את המערכת האקולוגית שבה אנחנו חיים.